علوم فیزیکی
در اینجا میخواهیم درباره علوم فیزیکی بطور عام و فیزیک بطور اخص بحث کنیم. بعد از علوم ریاضی، سایر علوم فیزیکی کل علوم دقیقه را در بر میگیرد. در کتب قدیمیتر، مکانیک، ستاره شناسی و حساب احتمالات (مکانیک آماری) را علومی در حدّ وسط ریاضی و فیزیک قلمداد میکردند. اما ما اینجا همه را تحت عنوان فیزیک محسوب کرده و بطور مشخص در خصوص چگونگی کسب معرفت در خصوص این مجموعه اظهار نظر میکنیم. بطور سنتی گفته میشد که فیزیک در خصوص اوصاف بیرونی پدیده هاست در حالیکه شیمی درباره خواص درونی مواد است. امروزه این مرز جدائی بسیار کمرنگ شده و حتی رشته هائی تحت نام شیمی-فیزیک هردو را درهم ادغام کرده است. صرفنظر از این جزئیات، روشی که در پی خواهد آمد شامل هردو بوده ولی سعی میشود مثالها اختصاصاً درباره فیزیک باشد. پس بطور عام، آنچه که در پی خواهد آمد با آنکه بمنظور تبیین روش کسب معرفت در فیزیک است، اما معهذا، کم و بیش برای سایر علوم طبیعت نیز برقرار است.
روش کسب معرفت
روش کار عمدتاً بر اساس "استقراء" ( Induction) است اما قیاس (استنتاج Deduction) نیز همچنان کاربرد دارد. استقراء در لغت به معنای قریه قریه گشتن بدنبال چیزی یا آدرسی است. اما در فیزیک به معنای مشاهده و تجربه است. اما نه مشاهده عادی بلکه اگر پدیده خاصی مورد نظر است ما باید این پدیده را در همه حالات ممکن مشاهده کرده، آنگاه به نتیجه گیری پردازیم. مثلاً میخواهیم اثر گرما را روی تغییر شکل یا حجم مواد بررسی کنیم. ما نمیتوانیم صرفاً با انتخاب آهن و دیدن اثر گرما روی آن به نتیجه گیری به پردازیم، بلکه لازمست سایر فلزات، و بلکه کلیه مواد در دسترس را مورد آزمون قرار داده و در آخر نتیجه خود را در خصوص اثر گرما روی مواد گزارش کنیم. اما چون عملاً بررسی همه مواد عالم ناممکنست لذا اجباراً نتیجه گیری خود را به تعداد محدودی مواد منحصر کرده و بر مبنای همین مجموعه اندک از نتایج نتیجه گیری خود را ابراز میداریم. اما چون به کلیت آن یقین کامل نداریم لذا بر اساس همین نتایج فرضیه ای میسازیم و به این مرحله تدوین "فرضیه" (یا نظریه) گفته میشود. مثلاً در مورد مثال قبلی، میگوئیم که " فلزات بر اثر گرما منبسط میگردند". ضمناً از آنجا که یک سری معلومات دیگری نیز از پیش داشته و قبلاً به صحت آنها پی برده ایم، در حین ساختن فرضیه، از خود میپرسیم آیا آنچه مشاهده میکنیم با معلومات قبلی ما سنخیت دارد یا خیر؟ لذا این امر مشاهده، فقط یک مشاهده صرف نیست بلکه همراه است با یکسری پرسش و پاسخ از خود و اینکه آیا مشاهدات ما با آنچه در سایر زمینه ها دیده ایم همسوئی دارد یا خیر. و اگر مباینتی وجود دارد چرا و چگونه و امثال این قبیل پرسش ها که به تدوین فرضیه کمک بزرگی میکند. ضمناً باید تأکید کرد که هر جا سخن از تجربه است نه منظور لزوماً تجربه در آزمایشگاه، بلکه درک هر چیز جدیدی است که در ارتباط با دنیای خارج ذهن در ما بوجود میآید. حسن تدوین فرضیه (نظریه) اینست که نه تنها پیش بینی آینده را برای ما میسر میسازد بلکه تحلیل وقایع گذشته را نیز مقدور میسازد. نهایتاً، پس از اینکه فرضیه در کوره آزمایشات و مشاهدات مکرر پخته شد صورت "قانون" پیدا میکند و دیگر فرضیه اطلاق نمیشود. مثلاً در مورد تحلیل وقایع گذشته، با مشاهده چین خوردگی های زمین و گسل های روی زمین متوجه اثر انبساط لایه های زمین در اثر فشارهای ناشی از تنش های حرارتی در پوسته زمین میشویم. و یا درباره پیش بینی آینده، متوجه این حقیقت میشویم که در آینده با انبساط خورشید در اثر فشار حرارتی داخلی، سیارات داخلی منظومه خورشیدی، از جمله زمین، بالاخره توسط خورشید بلعیده و نابود خواهند شد.
برای توصیف علمی هر پدیده ای، لازمست آنرا از مجموعه سایر اموری که با آن درآمیخته ولی لزوماً ربطی به پدیده مورد نظر ندارد جدا ساخت. و البته این یک امر انتزاعی است که در ذهن صورت میگیرد. مثلاً اگر در صدد مشاهده و ثبت مسیر سیاره ای هستیم، بدیهیست که انفجار ابرنواختری از ستارگان دوردست، اثری بر مسیر سیاره و لذا مشاهدات مربوطه نداشته و بسادگی آنرا نادیده میگیریم. اما امور دیگری هم هست که ممکنست بسادگی قابل چشم پوشی نباشد. مثلاً اگر مطالعه مدار سیاره بهرام (مریخ) مورد نظر باشد، گرانش ناشی از برجیس (مشتری) تأثیر گذار است، اما در بادی امر عمداً آنرا نادیده میگیریم تا کارکرد گرانش عمومی را در ساده ترین شکل خود که بین مریخ و خورشید است مشاهده و تحت بررسی قرار دهیم. اما در عمل میدانیم که نه تنها مشتری بلکه سایر سیارات نیز مداوماً بر مسیر مریخ طی مدار خود بدور خورشید مؤثر بوده ولی ما برای سادگی کار خود، عجالتاً آنها را از کار خود عامدانه منتزع کرده ایم. طبعاً پس از نتیجه گیری های اولیه و رضایت از نتایج، عوامل درجه دوم و سوم را بتدریج لحاظ میکنیم. لذا یک رویکرد مهم در بررسی علمی عبارتست از رویکرد " از ساده به مشکل". یعنی طرح پدیده ها ابتدا در ساده ترین شرایط و ساده ترین شکل و سپس افزودن یک به یک پیچیدگی ها. نهایت اینکه توصیف علمی یک پدیده، عبارتست از بیان آن بطوریکه به یک یا چند قانون تجربی مربوط گردد.
قوانین تجربی
در امور روزمره با مشاهدات متنوعی روبرو هستیم که بصورت ظاهر هیچگونه ارتباطی با هم ندارند. بویژه اینکه در بادی امر هیچگونه درکی از اینکه آیا این اتفاقات لازم و ضروری هستند یا فقط صرفاً اتفاق و شانس هستند نداریم. هرچه در تاریخ بیشتر به عقب برگردیم تنوع این امور بیشر و بیشتر شده و هریک امر مستقلی پنداشته میشدند. بشر اولیه، هر واقعه ای را در نوع خود یک امر مجزا و منفردی دانسته و درک درستی از بهم پیوستگی احتمالی این امور با یکدیگر نداشته است. اما تدریجاً با انباشته شدن مشاهدات نسل های متوالی در پی یکدیگر، کم کم ، بطور غریزی، بشر در پی مرتبط کردن این امور مجزا با یکدیگر بر میآید. مثلاً طلوع و غروب مکرر خورشید را به موضع آن در میان ستارگان گنبد آسمان ربط داده و با مقایسه با مواضع ماه به پیش بینی خسوف و کسوف نائل شده. از همین رو یکی از تعریفات علم فیزیک عبارتست از "کشف شبکه ترتب حوادث". مثلاً اگر نظری به دوران ارسطو بیاندازیم میبینیم که او در صدد چنین کاری بوده ولی بسب نبود آلات و ادوات اندازه گیری و نبود روش های سیستماتیک، توفیق چندانی، دستکم در فیزیک، نیافته است. یکی از چیز هائی که حکما در دوره او در صدد فهم آن بودند، مفهوم "نیرو" است. آنها در حیرت بودند که چگونه تیری که از چله کمان پرتاب شده، چرا همچنان پس از پرتاب به راه خود ادامه میدهد! حیرت از این لحاظ که میفهمیدند که در لحظه پرتاب، زه کمان نیروئی بر تیر وارد میسازد اما در ادامه مسیرش در هوا، نیروئی که بتواند همچنان آنرا به جلو هل دهد را نمیدیدند. آنها با مقایسه با راه رفتن خودشان که برای هر گام باید نیروئی اعمال کنند، متشابهاً متوقع بودند که پشت تیر رها شده نیز باید نیروئی مداوم وجود داشته باشد. شاید اگر ما هم در آن عصر زندگی میکردیم، منطقاً جز این نتیجه ای نمیگرفتیم! حتی برای یک فرد امروزی که منطقی فکر میکند هنوز این چرا وجود دارد که برای چه تیر به حرکت ادامه میدهد! ارسطو که حکیمی منطقی بود، آنرا اینگونه توجیه کرد که هوائی که پشت تیر رها شده مانده است همچنان آنرا فشار داده به جلو هدایت میکند. اینکه توجیه او درست نیست، مهم نیست بلکه آنچه مورد تقدیر است این تلاش وی برای جا انداختن نگرش مادٌی به پدیده هاست. اهمیت تلاش حکمای گذشته در اینست که آنها از نیروی عقل و استدلال برای مثلاً حرکت تیر پرتاب شده کمک گرفتند و نه توجیه توسط موهومات و ماوراء الطبیعه. اینکه توجیه آنها نادرست از آب در آمده است مهم نیست بلکه اتکای به عقل در تشریح آنها مهم است. مثلاً چه نیروئی سنگ را در سقوط آزاد بسمت زمین میکشاند؟ اینجا نیز در ظاهر امر چیزی که این کار را انجام دهد دیده نمیشود و لذا این توجیه ارائه شد که هر چیز در عالم میل دارد بسوی جایگاه طبیعی خود حرکت کند. و چون جایگاه طبیعی سنگ (خاک) زمین است بنابراین حرکتی رو به پائین دارد. آنجا که شاعر میفرماید: هر کسی کو دور ماند از اصل خویش، باز جوید روزگار وصل خویش. از اینکه این توجیهات هیچگونه تشابهی با حقیقت امر که امروز میدانیم، ندارد نباید متعجب بود و بلکه باید خرسند بود که دست ماوراءالطبیعه را تا حدودی کوتاه کرده بود. اما درباره نیروئی که اجرام سماوی را گرد کره آسمان در حرکت نگاه میدارد، دیگر چاره ای نبود جز اینکه دست بدامن ملائک و کروبیان شوند. زیرا نه تنها دست شان از بلندای آسمان کوتاه بود بلکه آنچه را هم که ماوراء زمین مادّی میگذشت متعلق به حوزه ملکوت اعلی و موجودات روحانی میپنداشتند و لذا عوامل مادی را از دامان قدسی انها مبرّا میدانستند. البته، همانطور که قبلاً گفته شد، در مقابل، بسیاری از حکمای باستان رویکرد علمی اختیار کرده و تابع اینگونه توجیهات نبودند. در هر حال، میدانیم که این وجوه متفاوت و به ظاهر بی ربط بایکدیگر، امروزه همگی زیر قوانین نیوتون معنا و مفهوم واحدی پیدا کرده اند. مثال تیر و کمان با قانون اول (قانون ماند) و مثال های بعدی با قانون دوم توجیه پذیر است. نیوتون در مورد سقوط سنگ بر زمین و گردش ماه بدور زمین و سیارات بدور خورشید از یک فرضیه آغاز کرد. او گفت که هر دو ذره کوچک مادّی که در عالم است یکدیگر را با نیروئی عکس مجذور فاصله جذب میکنند که ضمناً متناسب با جرم هریک از آندو نیز میباشد. البته او در ابتدا نقطه مادّی را تعریف کرده (مشابه تعریف نقطه در هندسه اقلیدس) و سپس به اجسام مادّی و کرات و ستارگان تسرّی داد. در ادامه، او از تعاریف و اصول به قضایای پیچیده تر پی برد. مثل اینکه نیروی گرانش یک کره مانند اینست که تمام جرم در یک نقطه مادّی (مرکز جرم) گذاشته شده باشد. بگذریم از اینکه هنوز مفهوم نیروی گرانش و اینکه دقیقاً چه چیزی در این تعاملات رد و بدل میشود هنوز در پرده ابهام است. همینجا یک نتیجه عملی از این بحث ها عاید میشود و آن اینکه اکثریت فیزیکدانان بدنبال علت العلل نیستند، بلکه همینقدر که با استناد به یک قانون عام مجموعه ای از پدیدارها را در یک بافت منسجم بهم مربوط کنند راضی و خرسندند. این قانون معمولاً ناشی از مشاهدات تجربی است و عبارتست از بیان یک رابطه (یا روابطی) ثابت و عام که وقایع را بهم مربوط سازد. این بیان معمولاً در قالب ریاضی نمود میابد. مثلاً سقوط آزاد سنگ نه تنها با قانون عمومی گرانش تبیین میشود بلکه حرکت تند شونده آن نیز خود بخود اثبات میگردد. آزمایشات متعدد نه تنها مکرراً صحت این امر را نشان داده بلکه بسیاری چیزهای دیگر را که تبیین ارسطوئی از آن عاجز بود را نیز هویدا میسازد. پرتاب سنگ به بالا مجدداً آنرا به زمین باز میگرداند و همواره اینگونه بوده است اما اگر سنگ را با سرعتی بیش از 11.2 کیلومتر بر ثانیه بسمت بالا پرتاب کنیم، این قانون نشان میدهد که هرگز بسمت مادر خود زمین برنمیگردد. این نافرمانی از نظر قدما موجب نقض علیّت میشد ولی طبق قانون جدید کاملاً معقول و قابل قبول است. صحت این قانون چه در رابطه با سفرهای کیهانی و چه تبیین حرکت اجرام سماوی بارها و بارها آزموده شده است و مسیر آینده این اجرام با دقت زیاد پیش بینی میشود. اما باید احتیاط کرد چه اینکه در مقایسه با قضایای ریاضی باید گفت قوانین تجربی آن ضرورت و جامعیت را ندارد و همواره آنها را باید تا آنجا پذیرفت که هنوز مشاهده ای برخلاف انتظارات آنها دیده نشده است. در حالیکه در قضایای ریاضی، اگر ضرورت نتیجه ای را انکار کنیم دچار تناقض میشویم. به عبارت دیگر در تبیین رفتار سقوط آزاد سنگ، قانون گرانش عمومی همانقدر موفقیت آمیز است که نظریه میل طبیعی جسم به جایگاه طبیعی خودش. هردوی اینها با موفقیت یک پدیده طبیعی را توجیه کرده اند و چه بسا توجیه ارسطو بیشتر هم دلپذیر باشد. تفاوت آنها در جامعیت آنهاست. قوانین نیوتون مختص جامدات نیست بلکه رفتار هوا و هر شارّه دیگری را خواه روی زمین خواه در کرات دیگر و هر مکان و هر زمان دیگر تبیین میکند. در خلال قرون هجده و نوزده، مشاهده مسیر سیاره تیر نشان از اختلالات کوچکی داد که گرانش عمومی نیوتون از تفسیر آن عاجز ماند. بعدها با ارائه نظریه نسبیت، معلوم شد که این اختلالات ناشی از سرعت بیشینه این سیاره در عبور از نزدیکترین بخش مسیر بوده و تفاوت های کوچکی که بوجود میآید در طی زمانهای طولانی خودش را نشان میدهد. نظریه نسبیت، نه بطلان نظریه نیوتون بلکه پیوستی برآن بوده است بدین معنی که در سرعت های خیلی زیاد، نظریه اخیر همخوانی بهتری با مشاهدات دارد. لذا این تصور که نسبیت موجب بطلان نظریه نیوتون است کاملاً اشتباه است. نظریه قدیمی تر همچنان در کلیه زوایای زندگی روزمره ما حاکم است. پس در اینجا بدین نتیجه میرسیم که گاهی تجربه های جدید، اصلاحاتی را در نظریه های رایج ضروری میسازد. قابل ذکر است که در مراحل اولیه تولید قانون تجربی به آن فرضیه میگویند یعنی فعلاً فرض است تا بعداً ببینیم چه میشود. پس از تأییدات مکرر در مکرر آزمایشات و مشاهدات تجربی، فرضیه به قانون تیدیل میشود و برای پیش بینی نتایج پیش رو از آن استفاده میشود. در شکل زیر، چرخه ای که یک فرضیه (نظریه) در آن متولد میشود را نشان میدهد. آغاز این چرخه اغلب با مشاهده شروع شده و انجامش نیز بخود باز میگردد.
اگر مشاهده ای نباشد، چیزی بدنبال نخواهد آمد. این مشاهده میتواند مستقیم باشد یا غیر مستقیم که توسط دیگران صورت گرفته باشد. مثلاً در ستاره شناسی، تیکوبراهه حجم زیادی از مشاهدات مستقیم خودش را در خصوص مسیر سیارات تهیه کرد و از آن برای پیشگوئی های سفارشی دربار دانمارک استفاده میکرد. اما این گنجینه گرانبها پس از فوت وی در اختیار کپلر قرار گرفت که از مدتها پیش تحقیقات خود را برای طرحی جدید از افلاک آغاز کرده بود. با اینکه عقاید وی بدواً متأثر از مفاهیم رازورانه پیشینیان بود و مثلاً در صدد تحقیق در باب موسیقی افلاک بود و یا تصور میکرد که اعداد فیثاغورثی در فواصل سیارات دخالت دارد، معهذا کار بیشتر روی اطلاعات تیکوبراهه او را به نتایج غیر قابل گریزی رسانید که بعدها تحت عنوان قوانین سه گانه کپلر مشهور شد. همین قوانین دستمایه ای شد برای نیوتون که بدون اینکه یک ستاره شناس حرفه ای باشد بخشی از قوانین مکانیک آسمانی خود را از آنها نتیجه گرفت. اضافه کنیم که مشاهدات و آزمایشات گالیله نیز وی را در تدوین قوانین حرکت یاری کرد. بعبارت دیگر در روند علمی هم استقراء (مشاهده) و هم استنتاج (قیاس) مددرسان محقق است. بعدها نیز انیشتن، بدون آنکه خود حتی کوچکترین آزمایشی انجام داده باشد، بر مبنای نتایج منفی مشاهدات مایکلسن و مورلی، فرضیه نسبیت خود را تدوین کرد. همانطور که ملاحظه میشود، قوانین تجربی همواره در معرض برخورد با مشاهدات و تجربیات جدید بوده و هر کجا که اقتضا کند، نظریه باید اصلاح شده یا تغییر کند. گاهی هم در تاریخ علم اتفاقاتی روی میدهد که ممکنست به قیمت پایان عمر یک نظریه تمام شود. حتی اگر آن، نظریه مهمی چون قانون بقای انرژی (یا درستتر : جرم و انرژی) بوده باشد. در دهه سوم قرن بیستم میلادی با کشف تباهی بتا، فیزیک دانان این انتظار را داشتند که الکترونهای ساطع شده همگی دارای یک انرژی بوده باشند؛ نتیجه غیر قابل گریز قانون بقای انرژی. معهذا دیده شد که این الکترونها دارای انرژی های متفاوت بین صفر تا یک انرژی ماکزیمم هستند که اصطلاحاً به آن طیف انرژی گفته میشود. برخی فیزیکدانان مشهور، از جمله بور، به این نتیجه رسیدند که شاید استثنائأ در این واکنش بقای انرژی نقض میشود. جامعه فیزیک بسیار ناراحت بود از اینکه ممکنست قانونی به این جامعیت که اینهمه کارساز بوده است را از دست بدهند. اما فیزیکدانی بنام پائولی پا پیش گذاشته برای تسلای دل این ماتم زدگان پیشنهاد کرد که ممکنست در این واکنش پای ذره سومی نیز درکار باشد که مقداری از انرژی را دزدیده با خود میبرد. اما مشکل اینجا بود که اسباب های اندازه گیری حاکی از وجود چنین ذره ای نبود. بنظر میرسید اگر چنین چیزی صحت داشته باشد، دزد غدٌار چنان ماهرانه میگریزد که هیچ رد پائی از خود بجای نمیگذارد. واقع قضیه نیز اینچنین بود کما اینکه سالها بعد با آزمایشاتی دقیقتر بالاخره بدام افتاد. نام آنرا بجهت خنثی بودن نوترینو گذاشتند و معلوم شد اثر متقابله بسیار بسیار ضعیفی با ماده داشته و بهمین سبب رد پای مهمی از خود برجای نمیگذارد. در این هنگام فیزیکدانان نفسی براحتی کشیده و باقی ماندن بقای انرژی را جشن گرفتند.
نکته دیگر در متدولوژی علمی، عبارتست از در کنار هم قرار دادن نظریه های مختلف و حتی الامکان وحدت بخشیدن آنها در بافتی یگانه. در پاراگراف قبلی از قانون بقای جرم و انرژی صحبت رفت. در واقع، پیش از این، دو قانون مجزا یکی برای بقای جرم و دیگری برای بقای انرژی وجود داشت و هردو صحت خود را در تجربیات بیشمار نشان داده بودند. در واقع امروزه نیز هنوز ما از این دو قانون بطور مجزا استفاده میکنیم و تنها در مواردی که با واکنش های هسته ای سروکار داشته باشیم، مجبور به استفاده از شکل کاملتر آن هستیم. زیرا در واکنش های هسته ای، مقداری از جرم ناپدید شده و بصورت انرژی، طبق یکی از نتایج نسبیت خاص، ظهور و بروز مینماید. در شیمی، چون انرژی متبادله ناشی از هیئت های مختلف الکترونی در اتم یا ملکول است، دو قانون یاد شده بطور جدا جدا بکار گرفته میشود که ساده تر نیز هست. انرژی های متبادله در واکنش های شیمی در حدود چند الکترون ولت بوده که منجر به تغییرات جرمی بسیار ناچیز میشود؛ در حالیکه در قلمرو هسته سر به میلیونها الکترون ولت میزند. اما اگر در تاریخ علم به عقبتر رفته و به قرون 17 و 18 نظر کنیم، حوزه انرژی را خود در چند دستگی میابیم. کما اینکه حرارت را موجود دیگری پنداشته و با واحد کالری میسنجیدند. انرژی مکانیکی با اسب بخار و یا معادل آن بعدها با ژول سنجیده میشد. بعدها ایندو باضافه انرژی های نور و صوت و برق و سایرین یک کاسه شده و همه با یک مفهوم تلقی و با یک واحد سنجیده شده و میشوند.
این وحدت بخشی یک پروسه دائمی بوده و در یک طرح بسیار کلی تر تلاش میشود همه نیروها (اثرات متقابله) را نیز شامل شود. دانش امروز مبتنی بر چهار نیروی اساسی است که همه پدیده های عالم تظاهرات مختلف این 4 نیروی اصلی است. تاکنون موفقیت های نسبی در وحدت بخشی تعدادی از آنها صورت گرفته ولی تا انجام کامل آن هنوز راه زیادی باقیمانده است. این وحدت بخشی نیروهای اساسی طبیعت ممکنست در تعاملات معمول ما با طبیعت چندان نقشی ایفا نکند ولی آنچه که انتظار میرود و دستآورد مهمی خواهد بود درک فلسفی ما از کارکرد جهان بعنوان یک کل یکپارچه است.
